Le test in-situ reste le plus complet…

S olutions
TEST DE CARTES
Le test in-situ
reste le plus
complet…
▼
Augmentation des fréquences d’horloge, augmentation des densités des cartes,
arrivée des techniques de montage en surface, etc. : à chaque évolution technologique pour la réalisation des cartes électroniques, on annonce la fin prochaine
du test in-situ (ou test in-circuit). Mais il est tient solidement la place. Aeroflex, qui
est (à travers IFR qu’elle a rachetée) à l’origine de cette technique de test, nous
explique ici pourquoi le succès de cette technique ne se dément pas.
C
ertaines chaînes de production
fonctionnent sans pratiquement
fabriquer des rebuts. Il s’agit le
plus souvent de fabriquer un produit relativement banalisé, avec un process
rodé depuis des
L’essentiel
années. Dans ces
conditions, le contrôle
Inventé il y a 35 ans pour
sur le produit fini est
apporter une alternative au
test fonctionnel, le test inréduit au minimum,
situ domine toujours le
voire éliminé. Si de
marché du test des cartes
telles situations exis Deux architectures sont en
tent, ce n’est sûrement
concurrence, “pure pin” ou
pas pour la fabrication
multiplexée
de cartes électro Les problèmes critiques
niques! Dans les indusd’accessibilité (sur les
tries électroniques en
cartes à haute densité)
peuvent être contournés
effet, les technologies
avec la technique Boundaévoluent à une vitesse
ry Scan (BS)
vertigineuse, les lots de
Le test à sondes mobiles,
fabrication sont réduits
qui pratique également du
dans le temps (il y a
test in-situ, apporte une
peu de chances qu’un
solution dans les cas
simples
même produit soit
fabriqué à l’identique
40
pendant des années), les cartes sont de plus
en plus denses, elles comportent des composants de plus en plus complexes, elles sont
fabriquées à des cadences de plus en plus
élevées. Un test poussé est indispensable.
Pendant longtemps, on a pratiqué des tests
fonctionnels, et uniquement cela. Pour effectuer ce type de test, la carte est placée sur un
banc, on lui envoie des stimuli par un
connecteur et on vérifie que la carte “réagit”
comme prévu. Un tel test, pour peu qu’il
soit poussé, prend du temps. Il n’est pas non
plus d’une fiabilité à toute épreuve : la carte peut avoir passé le test avec succès et comporter une soudure mal faite qui va vite faire des siennes en exploitation, peut-être
même avant (pour arriver sur son site de
destination, la carte doit souvent voyager, et
pas en première classe! Le test fonctionnel
ne vérifie pas non plus que les fonctions de
sécurité et de protection de la carte (surtensions, immunité et susceptibilité CEM) sont
effectivement présentes sur celle-ci : en effet,
celles-ci n’interviennent pas dans le fonctionnement normal de la carte et le test fonc-
tionnel n’a donc pas à s’en occuper. Du coup,
une carte peut fonctionner sans pour autant
être conforme à son schéma électrique…
Des défis sans cesse relevés
Les inconvénients et les limites du test fonctionnel sont connus depuis longtemps. Marconi a été le premier à proposer une alternative : c’est le test in-situ (à l’époque, on
employait le terme “in-circuit”, qui perdure encore aujourd’hui). Cette innovation
majeure date de 1968. Le test in-situ, c’est
“l’autre” révolution de l’année! Mais elle est
passée inaperçue car la société britannique
a d’abord utilisé cette technique pour
répondre à ses besoins internes. Il a fallu
attendre 1972 pour que “d’autres” commencent à en bénéficier. Et en 1976, les premiers modèles de testeurs in-situ sont installés en France. Les testeurs in-situ vérifient
un à un les composants implantés sur une
carte, ainsi que leurs interconnexions.A partir du moment où les composants sont bons,
la carte est considérée comme opérationnelle. Pour accéder aux différentes broches
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Solutions
des composants et aux équipotentielles de la
carte, celle-ci est placée sur un lit à clous.
Chaque clou est relié aux “drivers” (qui
appliquent les stimuli de test) et “sensors”
(qui récupèrent les réponses) du testeur.Au
fil des ans, les tâches demandées au testeur
in-situ sont devenues de plus en plus complexes. Et combien de fois a-t-on entendu
dire qu’il ne saurait pas relever le défi que
posait telle ou telle avancée technologique
des composants ou des techniques de fabrication des cartes! Eh bien, il est toujours là…
Une architecture “pure pin”
ou multiplexée ?
Un des tout premiers défis à relever a été
celui des composants numériques. Il a été
rapidement surmonté, au prix d’une augmentation des puissances de calcul et de la
complexité des drivers/sensors… et donc
du prix du testeur. Dans le même temps, les
cartes devenaient de plus en plus denses,
nécessitant une augmentation du nombre
de points de test.
Pendant longtemps, les testeurs in-situ ont
été des “pure-pin”, c’est-à-dire qu’ils avaient
autant de drivers/sensors qu’il y avait des
points de test sur la carte. Pour baisser le prix
des testeurs, une solution est alors apparue :
le multiplexage. Celui-ci permettait, pour un
nombre de drivers/sensors donné, d’avoir
un nombre de points de test plus élevé. Par
exemple, avec un multiplexage 4x1, chaque
driver/sensor permet de contrôler successivement 4 points de la carte. Malgré cela, cette approche ne s’est jamais imposée à tous.
Il faut dire que sur un testeur multiplexé, les
drivers/sensors sont plus complexes et il faut
davantage de ressources de calcul. A l’arrivée, l’avantage de prix par rapport à une
architecture “pure pin” classique n’est pas
toujours absolument évident.
Dans certains cas, l’architecture “pure pin”
peut même se révéler moins onéreuse
qu’une architecture multiplexée. Prenons le
cas d’une carte comportant 512 équipotentielles.Avec une architecture “pure pin”, c’est
simple, il faut prévoir une configuration à
512 points drivers/sensors.Avec une architecture multiplexée avec rapport de multiplexage 1x4, il faudra prévoir “a priori”
512 points qui autorisera l’utilisation de
128 drivers/sensors maximum en même
temps. En poussant un peu la réflexion, il
n’est pas dit que cela soit toujours suffisant.
Supposons en effet que la carte comporte un
composant à 244 broches. C’est ce composant qui va fixer la capacité du testeur. En
effet, ces broches doivent être testées simultanément, ce qui ne peut pas être réalisé en
ayant recours à un multiplexage. Si on prend
un testeur à architecture multiplexée, il faut
qu’il ait au moins 244 drivers/sensors afin
d’être capable de réaliser le test simultané des
244 broches. Si on utilise un testeur avec un
rapport de multiplexage de 1x4, il aura donc
une capacité de 244x4, soit 976 points de
test. Ce chiffre est à comparer aux 512 points
de test de la configuration “pure pin”. Il
semble évident dans ce cas que la solution
“pure pin” sera plus économique.
Lorsque l’on veut établir les comparaisons
Comparatif des techniques
Technique de contrôle
Contrôles effectués
Points forts
Limitations
Contrôle visuel
- courts-circuits
- valeurs de composants analogiques
- soudures sur les broches de circuit imprimé
- facilité d’utilisation
- rapidité de mise en œuvre
- peu onéreux
- contrôle des composants mécaniques
- impossibilité de voir les billes de soudure
- difficulté de déceler les composants CMS absents
- difficulté pour voir les manques de soudure
- difficulté de voir si les bons composants sont
aux bonnes positions
- impossibilité de voir les problèmes de “timing”
- Difficulté à lire les valeurs des composants CMS
- efficacité dans le temps (fatigue des opérateurs)
Test in-situ
- courts-circuits
- valeurs des composants analogiques
- soudures sur les broches de circuit imprimé
- fonctionnement interne des composants
analogiques et numériques
- programmation des composants
- facilité d’emploi
- rapidité de mise en œuvre
- économique
- performant
- mesures électriques
- programmation de composants
- vrai test de courts-circuits
- impossibilité de tester les billes de soudure
- impossibilité de vérifier les composants mécaniques
- impossibilité de voir les manques de soudure
- impossibilité de voir les problèmes de timing
Test fonctionnel
- la ou les fonctions de la carte
- les chaînes de composants
- les réactions en vraie grandeur
- certains paramètres impossibles à contrôler
en in-situ du fait des capacités parasites amenées
par les clous
- test des fonctions de la carte
- test des chaînes de composants
- test en charge
- contrôle des “timing”
- composants absents
- mise en œuvre difficile
- pas de diagnostic au niveau d’une fonction
- impossibilité de contrôler les fonctions de sécurité
les fonctions de sécurité de la carte
- pas de contrôle des soudures
Test optique Automatique (AOI)
- courts-circuits entre broches des boîtiers
- valeurs marquées sur les composants analogiques
- soudures sur les broches
- position et présence des composants mécaniques
et des composants de sécurité
- hauteur des composants
- orientation des composants
- contrôle de la présence des composants
- contrôle de la présence de soudures
- présence de courts-circuits entre les broches
des circuits intégrés
- billes de soudure
- présence des composants mécaniques
- facilité de mise en œuvre
- prix élevés
- pas de mesures électriques
- vitesse de test relativement faible
- liaisons entre les composants
- ne voit pas les courts-circuits
sur les équipotentielles
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Solutions
Complémentarité des techniques
Type de défauts
Contrôle
visuel
Test in-situ
Test
fonctionnel
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
Courts-circuits
Valeurs des composants
Composants de sécurité*
Défaut de soudure
☺☺☺
Composants manquants
Composants en trop
Composants endommagés
Composants inaccessibles
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
Défauts de timing
Test optique
automatique
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
☺☺☺
Billes de soudure
*Il s’agit ici des composants de protection (CEM, surtensions, etc.) de la carte
de coût entre les architectures “pure pin” et
multiplexées, il faut aussi penser au coût à
l’exploitation. Prenons ici le cas d’une carte
déjà en production, mais qui subit quelques
modifications de conception. Supposons que
ces modifications sont mineures et que le lit
à clous déjà installé peut être utilisé parce
que les points de contacts se trouvent aux
mêmes endroits (il “suffit” d’en faire la
demande au concepteur). Bien sûr, comme
la carte a été modifiée et qu’elle comporte
de nouveaux composants, il faut réaffecter
les broches et donc les signaux qui leur sont
appliqués.Avec une architecture “pure pin”,
cela se fait très simplement, il est facile de
maîtriser l’affectation des ressources du testeur.Avec une architecture multiplexée, c’est
beaucoup plus compliqué.
La limitation de vitesse,
ce n’est pas gênant
Pour ces raisons, les architectures “pure pin”
non multiplexées ont pu se maintenir sans
problème sur le marché.
Cette concurrence entre technique “pure
pin” et technique multiplexée a animé (et
Une offre étendue
Pionnier des techniques de test in-situ pour
le test des cartes électroniques, IFR a rejoint
le groupe Aeroflex en juin 2003. La société,
qui a adopté le nom de sa maison mère,
commercialise 4 grandes familles de testeurs.
La série 4200, destinée au test in-situ, permet
de réaliser des tests sans vecteur (test structurel) ainsi que des tests Boundary Scan. Le
dernier modèle annoncé est le 4250 “Pure
Pin”, qui offre un maximum de 2 048 points
de test comme ses prédécesseurs.
Le modèle 4500 est un testeur à sondes
mobiles doté de fonctions in-situ classiques
(accès par lit à clous). Il comporte 4 sondes
mobiles et peut également traiter jusqu’à
1 020 points analogiques. Il est également
conçu pour réaliser des tests boundary scan.
Ce testeur possède des originalités intéressantes. C’est ainsi qu’il est possible de programmer l’angle d’inclinaison des sondes
mobiles (ce qui facilite l’accès à certains
42
points masqués). Autre point intéressant, la
technique NetzTest permet de réduire de
manière drastique le nombre de mouvements de déplacements de sondes lors des
tests de courts-circuits. Pour une carte à
100 nœuds, il faut 100 mouvements seulement contre 5 000 avec l’approche classique.
Les testeurs de la série 5200 sont des testeurs
MDA (test de défauts de fabrication) d’une
capacité de 2 112 points maximum et offrant
une cadence de 1 200 tests par seconde.
Enfin, les modèles de la série 5300 sont des
testeurs combinés in-situ et fonctionnel, à la
fois analogiques et numériques.
Aeroflex France possède une équipe de
17 personnes dédiées au test de cartes. La
société a une importante activité de
services : elle propose un service de développement d’interfaces (lits à clous) et de
conception de programmes de test.
continue d’animer) le débat mais elle n’a
jamais mis en doute la pérennité des techniques du test in-situ.
D’autres facteurs ont été plus troublants. On se
souvient du débat sur la vitesse.Au départ, pas
de problème,les testeurs in-situ pouvaient sans
problème tester les composants à leur vitesse
réelle de fonctionnement.Par la suite,les composants se sont mis à travailler à des fréquences
d’horloge de plus en plus élevées et les testeurs
in-situ ont fini par “décrocher” : les stimuli de
test sont appliqués à une vitesse plus lente que
la vitesse qu’aura le composant lorsque la carte sera implantée dans son environnement réel.
Finalement, cette limitation de vitesse, on s’en
accommode très bien! La principale raison est
que lorsque les testeurs in-situ s’évertuaient à
suivre la vitesse des composants, ils avaient de
bonnes raisons de le faire. Il y a une quinzaine
d’années, les composants numériques à tester
n’avaient pas la qualité de ceux d’aujourd’hui
et il fallait donc pratiquer des tests poussés, à
la vitesse réelle.
Cela dit, la limitation de vitesse du test in-situ
ne vient pas à proprement parler du testeur
lui-même. En changeant le quartz qui fixe la
fréquence d’horloge,on pourrait augmenter la
cadence.En fait,le problème vient de l’interface
du testeur avec la carte,c’est-à-dire le lit à clous.
Celui-ci, comme chacun sait, comporte beaucoup de fils. Lorsque l’on veut travailler à des
fréquences élevées, les capacités entre les fils
contribuent à dégrader la qualité des signaux.
D’autre part, comme les différents fils n’ont
pas la même longueur, les temps de propagation entre les clous et les drivers/sensors du
testeur varient d’une connexion à l’autre et il
y a donc des décalages temporels entre les
signaux (ce que les Anglo-Saxons appellent le
“skew”). Quand on travaille à des fréquences
relativement basses,ces différences de temps ne
sont pas “visibles”.Aux fréquences élevées,par
contre,ça peut devenir un vrai problème car le
skew peut se traduire par des problèmes de
synchronisation dans le séquencement des
signaux.Il est possible de réaliser des interfaces
qui travaillent à des fréquences très élevées,par
exemple en ajustant les longueurs des fils, en
compensant électroniquement les différences
de temps de propagation, en diminuant les
capacités entre les fils (par des blindages), etc. :
mais tout cela a un prix!
Le problème de l’accessibilité
a été gonflé à l’excès
Une autre limitation prêtée au test in-situ
concerne l’accessibilité à la carte. Avec l’augmentation des densités des composants électroniques, avec l’arrivée de composants ayant
des contacts sur le dessous (et non sur le côté),
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il est sûr que l’accès par le lit à clous peut devenir problématique.Ceci a facilité l’émergence de
technologies de test sans contact type AOI
(Automatic Optical Inspection) et RX
(rayons X).A voir le torrent de conférences et
d’articles qui ont été consacrés à ces techniques,
on a l’impression qu’elles ont tout écrasé et que
le test in-situ a quitté la place! Là aussi,il faut garder la tête froide. La réalité est qu’aujourd’hui,
l’immense majorité des cartes continuent d’être
testées en in-situ.Les cartes pour mobiles GSM
font partie des très rares exceptions. Il faut dire
que les industriels ne sont pas fous! Ils savent
que pour réaliser un test,la technique in-situ est
la plus rapide à mettre en œuvre,c’est celle qui
a le temps de test le plus court et qui fournit le
diagnostic le plus précis (on “descend” au
niveau du composant).
S’il y a réellement un problème d’accessibilité,
il existe de toute façon une alternative : c’est le
“boundary scan”(BS) ou,comme on l’appelle
encore, le JTAG. Cette technique permet, à partir du connecteur de la carte, d’accéder individuellement aux composants présents sur la carte. Pour cela, il faut que les composants en
question soient dotés de la fonctionnalité BS.
Cette technique est connue depuis longtemps
et proposée sur la plupart des testeurs in-situ du
marché. Certains industriels dans le domaine
militaire ou télécoms sont des inconditionnels
de cette technique, elle fait désormais partie de
leur culture.
Dans certains cas, le BS permet de “faire du
neuf avec du vieux”. Supposons qu’une nouvelle carte nécessite 2400 points de test alors
que le testeur en place a une capacité limitée
à 2048 points de test. Grâce au BS, le testeur
peut donc tester les composants qui ne sont
pas accessibles au lit à clous, pour cause de
nombre insuffisant de broches. Cela n’est pas
une bonne nouvelle pour le constructeur de
testeur que nous sommes! Cela dit, il faut que
la carte ait été prévue pour ce type de test,
donc qu’il y ait une réelle coopération entre les
services de conception et de fabrication/test.
Il faut aussi que les composants concernés
existent en version BS. On le voit, ça fait quand
même pas mal de conditions à remplir…
Pour accélérer le test des courts-circuits
masse
Les testeurs de sondes mobiles passent 80 %
de leur temps à effectuer des tests de courtscircuits. Pour effectuer un test de court-circuit, il faut vérifier que pour un point donné,
aucun des autres points n’est en court-circuit
avec lui. Ceci impose un grand nombre de
déplacements de sondes.
Pour raccourcir ce temps, Aeroflex propose
deux solutions. La première est appelée
“technique de test de court-circuit rapide”. Le
testeur calcule, pour chaque point, quels sont
les autres points qui ont une possibilité réaliste d’être en court-circuit avec lui. La technique consiste à délimiter une zone autour de
chaque point (en fait un cercle) et de limiter
Globalement, à part les exceptions culturelles
que j’ai évoquées, le test BS reste encore marginal dans beaucoup d’applications.
Une autre forme de test in-situ
Une autre forme de test in-situ est apparue
dans un passé relativement récent : c’est le test
à sondes mobiles. Les sondes sont mobiles et
peuvent aller n’importe où sur la carte, ce qui
évite d’avoir à développer des interfaces avec
lit à clous. La mise en œuvre d’un tel testeur
est également rapide. Mais le test proprement
dit prend plus de temps (les sondes sont en
nombre limité et il faut qu’elles se déplacent)
et surtout il est plus limité : le testeur à sondes
Test des courts-circuits pour
une carte à 100 points
Nombre de mouvements
de sondes
Technique classique
Test accéléré*
Technique NetzTest
(nombre de points)2
2
~ nombre de points x 5
~ nombre de points
100 2
2
100 x 5
100
5000
500
100
*Test classique mais limité aux points environnants
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les tests de courts-circuits uniquement aux
points qui se trouvent dans cette zone.
La deuxième technique a été baptisée NetzTest. Elle est encore plus rapide. Elle repose sur
la mesure de l’impédance de chaque point de
la carte par rapport à la ligne d’alimentation ou
la masse. Le testeur mémorise toutes ces impédances (il mesure la résistance, la capacité et la
présence d’une diode), par apprentissage sur
une carte bonne. En phase de test, il compare
les résultats obtenus avec les valeurs mémorisées et en déduit s’il y a un éventuel court-circuit. Le nombre de mesures dépend de la
configuration de la carte mais il est calculé
automatiquement par le logiciel du testeur.
mobiles est limité pour les tests numériques et
il est surtout utilisé pour réaliser des tests analogiques. De plus, il passe le plus clair de son
temps (disons 80 % de son temps) à vérifier
qu’il n’y a pas de court-circuit. En effet, si on
veut vérifier l’absence de court-circuit sur une
carte qui compte 100 points de test, il faudra
faire 1002/2 mouvements de sonde, soit
5000 mouvements. Comme ça prend beaucoup de temps, Aeroflex a mis au point de
nouvelles techniques telles que le “test des
courts-circuits modifié” ou le NetzTest, qui
limite à respectivement 500 et 100 le
nombre de déplacements des sondes.
On l’aura compris, le test in-situ a de très
beaux jours devant lui. Pour autant, il n’est
pas omnipotent. Le test optique voire le test
à RX peut contribuer à améliorer la couverture des tests. Mais il ne faut surtout pas perdre
de vue qu’ils ne font pas de test électrique…
Edmond Weigant
Aeroflex*
*Aeroflex France SAS
18, rue du Plessis-Briard - Le Canal
Courcouronnes - 91023 Evry Cedex
Tél.: 01 60 79 96 00 - Fax: 01 60 77 69 22
[email protected]
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